基于数字滤波的液面深度测量系统设计

文/黎爱琼 李雪 王川

测量油井液面深度是测井技术中一项重要的工作，而采用何种技术才能精确计算出井深一直是测井技术的一个难题，目前数控测井技术使用广泛。由于传统声速测井法在计算井深时，如果知道气体在井中各部位的成分或气体的组成情况，即可较准确地计算出液面深度。而实际油井中不同深度处的压力、温度、密度、成分不同，因而气体在油井中具体分布情况很难确定，从而导致声速在各个部位的速度也不同，无法精确计算出液面深度。为了实现精确测量，本文提出了数字滤波测井法。

1 硬件系统

本测井系统主要由微处理器系统、传感器系统、输出显示模块、人机交互系统、数据采集系统几个部分组成。传感器系统中的微音器输出的反射波电信号经电缆输入到放大滤波电路、微处理器处理电路、输出显示电路，通过放大滤波电路和数据处理电路，由输出显示模块将反射波形输出。

本系统中微处理器系统是核心，它是利用声波来测量油井，根据套管内液面柱高度及其变化推算出油层压力与井底压力及其变化情况，从而确定油层的采油效率，使抽油泵保持最佳沉没度。系统的功能框图如图1所示。

系统工作原理是：首先将发生器与井口套管连接好，打开套管阀门，转动发生器的扳机，使击针在弹簧作用下撞击子弹引爆，子弹爆炸产生了一个强大的声波脉冲信号，声波脉冲信号传入油井套管，通过套管环形空间内的气体介质向下传播，脉冲信号碰到油管的接箍、音标、液面以及其它障碍物产生反射；传感器将这些反射脉冲信号接收并转换成电信号送到放大电路中；在放大电路中将传感器接收的信号进行滤波、放大后，通过系统程序将其图形显示在LCD上；根据显示图形曲线上的接箍波数目、音标波位置、液面波位置，即可方便地计算出液面深度；同时如果确认记录的数据正确，记录油井号以及记录时间将其存储在系统存储器中，这样方便以后调用。

使击针在弹簧作用下撞击子弹引爆，产生一个压力脉冲；该脉冲通过套管环形空间的气体介质向下传播，碰到油管接箍、音标、液面及其它障碍物产生反射；传感器将这些反射脉冲信号接收并转换成电信号送到放大电路中；在放大电路中将传感器接收的信号进行滤波、放大后，通过系统程序将其图形显示在LCD上；根据显示图形曲线上的接箍波数目、音标波位置、液面波位置，即可方便地计算出液面深度；同时如果确认记录的数据正确，记录油井号以及记录时间将其存储在系统存储器中，这样方便以后调用。

2 液面深度计算

本系统的液面探测原理是：在井口连接器处安装传感器及发生装置，击发一颗发声子弹产生声脉冲，声脉冲沿着油井套管向井下传播，当遇到油管接箍、音标和液面等障碍物便产生反射脉冲，返回的声脉冲由传感器接收并转换成电信号，通过双通道放大、滤波电路后，输出显示两路声脉冲波形；一路信号记录接箍、液面、音标和其他较大障碍物反射波的高频信号，另一路信号只记录液面、音标或其他较大障碍物反射波低频信号；通过对输出波形的特征位置（接箍、音标、液面）的定位，可得到油井深度。有4种计算液面的算法：平均声速法、单接箍法、多接箍法、音标法，本系统采用平均声速法。平均声速法，在知道当前油井中的声速，测量出声脉冲发射到返回的时间就可以计算出液面的深度。即：液面深度=声速×（到达液面的时间-发射的时间）/2。

图2为声反射波形示意图，起始位是发射声波信号位置或者液面波结束的位置；接箍（油管是一节一节的接在一起的，就形成了一个个等间距的接箍）是等间隔的，因而反射回的波形就是有规律的、等间隔的波形，在此接箍波的长度用选取这段接箍波的波峰或波谷到起始位的点数表示；音标是为测量油井液面深度而特地放的标记，它的反射波形比较强烈，即其波形幅度比较大，在此音标波距起始位的长度用音标波的波峰或波谷到起始位的点数表示；当声波碰到液面反弹特别强烈，波形的幅度最高，在此液面波距起始位的长度用液面波的波峰或波谷距离起始位的点数表示。根据以上的论述，因为油管的接箍长度、音标长度是已知的，因而可以用比例法来计算液面的深度。

另外，实际的数据在采集的过程中存在不同频段的噪声干扰，因而很难准确地区分信号的接箍位置、音标位置、液面位置，因而需要对反射波进行处理，本系统采用数字滤波的方法对采集到的声波信号进行处理。

3 最小均方法滤波分析

在MATLAB中的FDATool中设计最小均方低通滤波器，对信号进行滤波。先把滤波器导入到SPTool的滤波列表中，然后选中该滤波器，再选中信号列表中的信号，然后单击应用，再单击浏览即可显示出滤波后波形，如图3所示。

经过滤波处理后，可以得到清晰的接箍位置、音标位置、液面位置反射信号，采用合适的液面计算方法就可以计算出液面的深度。

图1：系统功能框图

图2：声反射波形示意图

图3：信号经最小乘方法滤波后的波形图

4 结论

本文通过对采集的声波信号进行分析，通过对传感器的试验测量建立起各个参数之间的对应关系；同时，利用MATLAB进行数字滤波处理，得到较清晰的滤波数据，再根据不同的油井采用合适的液面算法，就可以计算出液面的深度。